UvA-DARE (Digital Academic Repository) Isoprenoid biosynthesis and mevalonate kinase deficiency Henneman, L. Link to publication Citation for published version (APA): Henneman, L. (2011). Isoprenoid biosynthesis and mevalonate kinase deficiency General rights It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Disclaimer/Complaints regulations If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: http://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible. UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl) Download date: 06 Mar 2017
O O O P O - O P O - O - Samenvatting voor iedereen
Samenvatting voor iedereen Om goed te kunnen functioneren, heeft ons lichaam bouwstoffen nodig. Naast opname uit onze dagelijkse voeding maakt ons lichaam veel van deze bouwstoffen zelf aan. Een belangrijke groep bouwstoffen zijn de isoprenoïden. Isoprenoïden spelen een rol in veel verschillende processen in het lichaam, waaronder de deling van cellen en de overdracht van signalen in cellen. De aanmaak (biosynthese) van isoprenoïden bestaat uit verschillende stappen en bij elke stap wordt een stof omgezet in een andere stof (Figuur 1). Enzymen zijn nodig om deze stappen te versnellen (katalyseren). De eerste paar stappen in de biosynthese zijn voor alle isoprenoïden hetzelfde, maar uiteindelijk splitst de route zich op om verschillende eindproducten te produceren. Het bekendste eindproduct is cholesterol, wat belangrijk is voor de opbouw van cellen, maar daarnaast zijn er nog vele andere eindproducten zoals farnesyl pyrofosfaat en geranylgeranyl pyrofosfaat, beide betrokken bij de overdracht van signalen in cellen. Er zijn verschillende erfelijke stofwisselingsziektes bekend waarbij één van de stappen in de isoprenoïd biosynthese niet goed verloopt, met als gevolg dat er een tekort ontstaat aan een bepaald eindproduct. Dit wordt veroorzaakt doordat een enzym in de route niet goed meer functioneert. Er is echter maar één stofwisselingsziekte die een effect heeft op de aanmaak van alle isoprenoïden en dit is mevalonaat kinase deficiëntie (MKD). MKD is een aangeboren aandoening die wordt veroorzaakt door een defect in het enzym mevalonaat kinase (MK). MK katalyseert één van de eerste stappen in de isoprenoïd biosynthese, waardoor er bij MKD in principe een tekort kan ontstaan aan alle isoprenoïden. Patiënten met MKD hebben last van periodieke koortsaanvallen waarbij de koorts kan oplopen tot 40 C en 3 tot 4 dagen aanhoudt. Deze koortsaanvallen gaan gepaard met koude rillingen, gewrichtsklachten, huiduitslag, hoofdpijn, duizeligheid, buikpijn, braken en diarree. Daarnaast kunnen lever, milt en lymfeklieren opgezet zijn. De koortsperioden komen meestal iedere 3 tot 6 weken terug, maar tussen de aanvallen door zijn de patiënten symptoomvrij. De meeste patiënten ervaren hun eerste koortsaanval al tijdens het eerste levensjaar, maar naarmate ze ouder worden, zullen de koortsperioden minder vaak voorkomen en ook minder ernstig zijn. Vaccinaties, infecties, verwondingen, maar ook stress (bijvoorbeeld voor een verjaardag of bezoek van Sinterklaas) kunnen aanleidingen zijn voor een koortsaanval, echter in de meeste gevallen is er geen duidelijke oorzaak. Oorspronkelijk zijn er twee verschillende ziektebeelden beschreven welke veroorzaakt worden door een defect van MK, namelijk het hyperimmunoglobulinemie D en periodiek koorts syndroom (HIDS) in 1984 en mevalonacidurie (MA) in 1985. HIDS ontleent zijn naam aan de abnormaal hoge concentratie immuunglobuline D (IgD) dat in het bloed van deze patiënten gevonden wordt en de opvallend terugkerende koortsperioden. MA is vernoemd naar de hoge concentratie mevalonzuur dat in de urine van de patiënten wordt gevonden. Mevalonzuur is de stof die door het enzym MK omgezet wordt. Bij een defect enzym zal deze stof niet meer omgezet kunnen worden en ophopen in de cellen. Uiteindelijk zal het lichaam de stof via de nieren uitscheiden en is het detecteerbaar in urine. Patiënten met MA hebben vergelijkbare koortsaanvallen als HIDS patiënten, maar hebben daarnaast vaak ernstige bijkomende symptomen, zoals misvormingen aan het gezicht, bloedarmoede, staar en ze blijven meestal achter in mentale ontwikkeling en groei. Veel MA patiënten komen te overlijden in hun eerste levensjaar. Jaren na de beschrijving van beide syndromen is in 1999 ontdekt dat zowel HIDS als 114
Samenvatting voor iedereen MA veroorzaakt wordt door een defect in het enzym MK. Sindsdien worden HIDS en MA beschouwd als respectievelijk de milde en ernstige vorm van MKD. Het verschil in ziektebeeld tussen HIDS en MA kan verklaard worden aan de hand van de activiteit van MK. Hoe lager de activiteit van MK, hoe slechter dit enzym werkt en hoe ernstiger het ziektebeeld. In patiënten met HIDS ligt de activiteit van MK tussen de 1 en 10% t.o.v. de normale waarden, terwijl bij MA patiënten de activiteit minder dan 0.1% is. Hoe laag de activiteit van MK is, hangt af van waar de fout (mutatie) zit in het stukje DNA (gen) dat codeert voor MK. Sommige mutaties zorgen voor verkeerd gevouwen enzymen die door de cel versneld worden afgebroken waardoor er weinig MK aanwezig is. Andere mutaties hebben geen invloed op de vouwing van MK, maar door de mutaties werkt het enzym niet meer optimaal. Wat ook vaak voor komt, is dat MK extra gevoelig wordt voor temperatuur, wat betekent dat hoe hoger de temperatuur is, hoe lager de enzym activiteit is, en vice versa. Figuur 1. Schematische weergave van de isoprenoïd biosynthese. Bij mevalonaat kinase deficiëntie (MKD) wordt de omzetting van mevalonzuur naar fosfomevalonzuur geblokkeerd waardoor er een tijdelijk tekort aan eindproducten ontstaat. 115
Naast de patiënten met MKD is er ook een groep patiënten die wel de symptomen heeft van MKD, maar geen defect in het enzym MK. Omdat een tekort aan eindproducten waarschijnlijk de oorzaak is voor de symptomen van MKD, verwachten we dat bij deze specifieke groep patiënten misschien een ander enzym in de isoprenoïd biosynthese defect is waardoor deze patiënten dezelfde symptomen vertonen. Om dit uit te zoeken hebben we een methode ontwikkeld waarmee we met een zeer gevoelig apparaat, een HPLC-MS/MS, een groot aantal stoffen uit de isoprenoïd biosynthese kunnen detecteren en kwantificeren. Als er een enzym in de isoprenoïd biosynthese defect is, dan zal de stof die normaal door dit enzym wordt omgezet, ophopen en met onze methode kun je dit detecteren. De beschrijving en validatie van deze methode staat beschreven in hoofdstuk 2. Naast het opsporen van enzymdefecten in de isoprenoïd biosynthese, kan deze methode ook gebruikt worden om de specificiteit van remmers van de route te testen. Het remmen van de productie van cholesterol wordt al toegepast bij hart- en vaatziekten en hypercholesterolemie. Daarnaast kan het remmen van de productie van andere eindproducten van de route een belangrijke target zijn in de behandeling van andere ziekten, zoals een nieuwe behandeling voor kanker. Er worden veel nieuwe remmers van de isoprenoïd biosynthese ontwikkelt en onze methode kan gebruikt worden om deze remmers te testen. In hoofdstuk 3 hebben we bekende en minder bekende remmers getest op verschillende soorten cellen. We hebben aangetoond dat de meeste remmers specifiek één enzym remmen, maar dat sommige remmers op meerdere punten de isoprenoïd biosynthese route blokkeren. Omdat bij patiënten met MKD waarschijnlijk een tekort aan eindproducten de oorzaak is dat deze patiënten ziek worden, willen we graag weten welke eindproducten dat zijn en hoe een tekort daaraan kan leiden tot koortsaanvallen. Ondanks dat de functie van MK in MKD patiënten sterk verminderd is, kan de productie van cholesterol normaal zijn, zelfs bij de ernstige patiënten. Dit laat zien dat een heel lage activiteit van MK nog voldoende is om genoeg eindproducten te maken. Maar de isoprenoïd biosynthese route is veel gevoeliger voor verstoringen in MKD patiënten dan in gezonde personen. Een kleine temperatuursverhoging verlaagt de restactiviteit van MK, waardoor de route geremd wordt en er een (tijdelijk) tekort aan eindproducten ontstaat. Dit tekort leidt tot ontsteking en koorts, wat de temperatuur verder verhoogt en de activiteit van MK nog meer verlaagt. Deze vicieuze cirkel kan doorbroken worden doordat cellen een compensatiemechanisme hebben. Als er een tekort aan eindproducten ontstaat, wordt de concentratie van mevalonaat in cellen verhoogd en kan MK efficiënter werken. Hierdoor zijn de cellen in staat om de productie van de isoprenoid biosynthese route (langzaam) weer te herstellen. Uit eerder onderzoek is gebleken dat voornamelijk een tekort aan geranylgeranyl pyrofosfaat (GGPP) een probleem is bij MKD. Er zijn een heleboel eiwitten die GGPP nodig hebben om goed te functioneren, zogenaamde signaaleiwitten. Deze eiwitten kunnen een signaal van buiten de cel doorgeven aan andere eiwitten in de cel, waardoor de juiste reactie ontstaat. GGPP is nodig om de signaaleiwitten op de juiste plek te houden, namelijk verankerd in het celmembraan. Op het moment dat er geen of weinig GGPP in de cellen is, zullen de signaaleiwitten op de verkeerde plek in de cel zitten en zal de signaaloverdracht niet of anders verlopen en zo ontstaat er een verkeerde reactie. In hoofdstuk 4 en 5 hebben we aangetoond dat bij een kleine verstoring van de isoprenoïd biosynthese, signaaleiwitten op de verkeerde plek in de cel zitten en overactief worden. In hoofdstuk 4 hebben we huidcellen van patiënten en controles 116
Samenvatting voor iedereen behandeld met een remmer van de isoprenoïd biosynthese en in hoofdstuk 5 hebben we huidcellen van patiënten en controles gekweekt bij 40 C om zo een koortsaanval na te bootsen. In beide situaties is er een groot effect te zien op de locatie en activatie van signaaleiwitten in de cellen van MKD-patiënten en er is bijna geen effect te zien in de controle cellen. Wij hebben 3 van deze signaaleiwitten onderzocht, maar er zijn veel meer van deze eiwitten en ze hebben veel verschillende functies. Daardoor is het erg moeilijk om erachter te komen welk van deze eiwitten verantwoordelijk is voor de symptomen in MKD. Het identificeren van deze eiwitten is dan ook een belangrijke onderzoeksrichting in de toekomst. Naast onderzoek in cellen van patiënten is onderzoek in een organisme zoals de muis nodig om tot nieuwe inzichten te komen. In hoofdstuk 6 beschrijven we een muismodel voor MKD. Deze muizen hebben dezelfde mutaties in hun DNA als de MKD-patiënten en vertonen daardoor veel dezelfde ziekteverschijnselen als MKD patiënten. Dit model kan gebruikt worden om de pathophysiologie van MKD te bestuderen, maar kan ook worden ingezet om nieuwe therapieën te ontwikkelen en te testen. Op dit moment is er nog geen effectieve therapie tegen MKD. Een mogelijke therapie zou de toediening van isoprenoïden kunnen zijn, en dan voornamelijk GGPP, omdat een tekort hieraan ten grondslag ligt aan MKD. Maar je kunt ook denken aan manipulatie/ activatie van de isoprenoid biosynthese, zodat er meer eindproducten (meer GGPP) geproduceerd wordt. Voordat deze potentiële nieuwe therapieën daadwerkelijk bij kunnen dragen aan een effectieve behandeling van MKD, is er nog veel onderzoek nodig. 117